摘要：伽玛—伽玛测井中的散射伽玛射线低能部分的强度和地层的原子序数有关，因而能用来对煤层的灰分值作原位测量。对8个矿区164个煤样的计算表明，这种用煤层等效原子序数来确定灰分值的方法对煤的变质程度、水分含量变化不敏感，但对灰的元素组成变化，尤其是Fe2O3含量变化比较敏感。因而在使用这一方法测量煤层灰分时，应寻求区域性的相关关系。同时测量散射伽玛射线的高能部分和低能部分，可以获得地层密度和与地层岩性有关的等效原子序数这两个参数。
关键词：灰分 伽玛—伽玛测井 能谱分析
中国图书资料分类法分类号：P631.817
THE POTENCIAL OF IN-SITU ASH CONTENT PREDICTION
USING LOW-ENERGY COMPONENT OF GAMMA-GAMMA LOGGING
Gu Wenhao
(Xi′an Branch,CCRI)
Abstract The intensity of low energy gamma-rays in gamma-gamma logging is related to the atomic number of the formation being measured.Based on chemical analysis data of 164 coal sample from 8 mines,calculation results show that the method in which equivalent atomic number is used for in-situ ash content evaluation is not sensitive to the rank and moisture content of the coal but quite sensitive to the ash composition,especially to Fe2O3 content.Therefore,regional correlation should be established when in-situ ash content prediction is conducted.Measuring the intensities of both high-and low-energy gamma-rays,the two parameters of formation density and equivalent atomic number,which is related to the formation lithology, can be derived at the same time.
Keywords coal ash,gamma-gamma logging,spectrometric analysis
1 引言
目前国内主要使用两种方法在测井时进行煤灰分的原位测量：一是用常规的伽玛—伽玛方法测量与地层密度相关的散射伽玛的总强度来和灰分相关；二是采用低能伽玛射线源的选择伽玛—伽玛方法。
煤层的灰分值增高时，由于煤灰组成元素的原子序数比可燃基组成元素的原子序数高，使得煤层的总体原子序数增高。此外，通常还会引起煤层密度的增高。常规伽玛—伽玛方法利用密度变化引起的电子密度变化，间接地对地层密度进行测量。而对于选择伽玛—伽玛测井而言，则主要利用光电效应——灰分变化引起的原子序数变化，在散射伽玛强度和煤灰分值之间建立相关关系。
这两种方法所应用的放射源的能量不同：散射伽玛—伽玛方法采用能量较高的伽玛射线源(目前通常使用137Cs源)；而选择伽玛—伽玛则使用能量足够低的辐射源［1］，目前国内应用的辐射源是241Am伽玛源。
实际上，对使用137Cs源的伽玛—伽玛测井也存在光电效应，尤其对于经历过散射的伽玛射线，在散射中损失了能量，因而产生光电效应的几率增大。产生光电效应的几率对地层的原子序数有强烈的依赖关系：在煤灰分值高，也就是原子序数较高时，散射伽玛中的低能部分将经历较多的光电吸收，使得散射伽玛射线中的低能部分减少，如图1所示。
图1 137Cs源对3种密度相同、等效原子序数
不同物质的散射伽玛谱示意图
为了消除常规伽玛—伽玛密度测井中散射伽玛射线的低能部分对地层原子序数的依赖，使总强度和地层的电子密度建立较好的一一对应关系，常规伽玛—伽玛测井方法利用在探测器外包裹滤色片的方法来吸收能量较低的散射伽玛射线，以消除这种影响。
对钻孔中所接收的伽玛射线作能谱分析，为伽玛—伽玛测井提供了新的可能——用能谱测量方法可以对图1中的高能区H和低能区S同时作出测量。
|
高能区H的强度由康谱顿散射决定，因而它和地层电子密度，进而同地层密度相关。在地层密度和煤灰分值存在相关关系时，可以利用这一强度值求取煤层的原位灰分值。它的结果和现有常规伽玛—伽玛测井得出的结果相同。但是煤层密度和煤灰分的相关关系并不总是很好。据报道，北美、南非、英国和澳洲均有这种相关得不好的实例［2］。此外用密度测定求得的灰分值在煤层有裂隙时，估值将明显偏低。
测定图1中S区(低能区)的强度可以反映地层原子序数的变化情况，从而确定煤层的灰分值。从70年代末起，澳大利亚的联邦科工组织在这方面进行了一系列工作，实现了该方法的工业应用。该方法在某些情况下得到了比密度法更高的测定精度。曾报道过在灰分值7%～28%的一系列煤层中得到了标准偏差为2.2%的测定精度［3］。
为了给使用能谱方法的伽玛—伽玛方法对煤灰分作原位测量的可行性作必要的论证，本文利用煤质化验资料进行了必要的计算。首先考察煤灰分值和等效原子序数的相关关系，进而研究一些其他参数，如水分变化的影响，以期对方法的前景作出初步的估计。
2 等效原子序数随灰分值变化情况
由于地层不是由单一的元素组成，因而只能用一个等效的原子序数来表示它的光电效应能力。根据Czubek的工作［4］，等效原子序数Zeq和介质的组成有如下关系：
式中 Zi——组成介质的第i个元素的原子序数；
Pi——组成介质的第i个元素的百分比含量；
Ai——第i个元素的原子量。
将此关系用于煤层，由于煤的可燃基组成元素的原子序数低而灰分组成元素的原子序数高，因而灰分值增大时，等效原子序数将变高。
由于光电吸收截面对地层元素原子序数的强烈依赖关系，等效原子序数高的地层中有较多的光电吸收，这就导致图1中S区内计数率随地层等效原子序数的变化，从而可以对煤层的灰分作出估值。
由于构成煤灰分的各元素的含量在很大范围内变化，而这些元素的原子序数可以有相当的差异，因而灰分值相同而灰成分不同的煤具有不同的等效原子序数。这种灰分值—等效原子序数间的多值关系对散射能谱法测定煤层灰分是一个很大的限制，使它只能对灰成分相近的煤使用相同的相关关系，而对灰成分差异大的煤层，需要使用不同的相关关系。
对大同、汾西、晋城、霍县、西山、潞安、新汶、枣庄8个矿区的164个煤样的计算结果表明，各煤样的灰分—等效原子序数有类似的关系。图2是汾西矿区25个煤样中选出的3种代表性煤样的灰分—等效原子序数关系曲线。它是根据煤样的灰成分、可燃基的无素组成等化学分析结果，在一定的水分含量值下(此处为4%)，对不同灰分设定值下煤层的等效原子序数进行计算的结果。图中的曲线A和C相应于25个煤样中等效原子序数最大和最小的情况，而曲线B对应于等效原子序数适中的情况。这种函数关系是单调递增的。相同灰分变化下等效原子序数的相对值变化量的大小和煤灰的元素组成有关。煤灰成分中Al、Si含量越高，则等效原子序数的数值就越小，灰分值变化时等效原子序数的相对变化也越小(曲线C)。而煤灰成分中Fe、Ca这些高原子序数元素的含量越高，则灰分值变化时等效原子序数的相对变化也越大(曲线A)。相同灰分变化下等效原子序数相对变化大的煤层使用散射伽玛能谱法作灰分测定有较高的灵敏度。 |
|
图2 等效原子序数随灰分值变化而变化的情况。
A、B、C是灰成分不同的3种煤样
一定灰分值时等效原子序数的数值大小由多种因素造成。除了灰成分这一个最重要的因素外，煤的水分含量、可燃基中的元素构成(即煤的变质程度)也有一定影响。
3 煤质参数变化的影响
3.1 可燃基构成元素含量变化对等效原子序数的影响
对不同牌号的煤，可燃基构成元素的含量不同。对所计算的8个矿区的164个煤样而言，包括了烟煤、无烟煤中的许多牌号。但总体而言，C、H、N等主要元素含量变化有限，因而可燃基的等效原子序数变化不大。164个煤样的计算结果表明，和灰分变化引起的等效原子序数变化相比，这是一个比较小的数值。
3.2 水分含量变化的影响
水的等效原子序数比可燃基的等效原子序数高，但比中等灰分煤的等效原子序数低。所以对灰分很低的煤，水分的存在使视灰分值变高；而对灰分值较高的煤，它又使视灰分值变低。这种不确定的变化关系似乎使水分变化的影响变得比较复杂，但对其数量关系的计算表明，水分变化影响的数值较小。对灰分值12%以下的煤来说，水分含量的影响在实际工作中可以忽略。在灰分值较高时，它的影响也不大。为此引入一个对等效原子序数的影响等同于灰分值变化1%的水分值含量变化的数值来描绘此影响的大小。在所研究的164个煤样中，灰分值为12%时，此等效水分变化的数值在10%以上，也就是水分值变化10%以上才相当于灰分值变化1%；在煤层的灰分值为18%时，此等效值也大于5%。
伽玛—伽玛能谱法测定煤层灰分方法对煤层水分含量变化不敏感这一事实在实际工作中带来的一个很大好处是，在煤层中有较多裂隙，并且裂隙充水时不会对灰分的估值带来太大的误差。而在这种条件下，用伽玛—伽玛密度法作灰分测定的结果会使灰分估值偏低。
3.3 灰成分变化的影响
用散射伽玛能谱法确定煤层灰分值时，最大的影响来自煤灰成分的变化。由于这种误差是方法本身所固有的，因而只能在使用中注意应用前提能否满足，以避免灰分估值时不必要的差错。
构成煤灰的元素中，Si、Al、Ca、Fe是含量较高的主要元素。由于Si、Al的原子序数较低，它们的含量变化对煤的等效原子序数变化的影响较小。而Ca和Fe，尤其是Fe含量的变化，则有较大的影响。图3是汾西矿25个不同煤样的铁含量和等效原子序数的关系图。在此相关关系图中，X坐标直接采用了Fe的含量而不是Fe2O3的含量。由图可见，尽管煤样的灰分值不相同(2.71%～12.38%)，水分值也不同(0.36%～2.82%)，但在XY图上可以明显地看出一定的相关关系。这种相关关系在其它几个矿区的煤样中也同样存在，其XY图也类似。 |
|
图3 汾西矿区25个煤样铁含量和等效原子序数的XY图
由于灰成分变化的影响，散射伽玛能谱法测定煤层灰分的精度受到较大的影响，因而灰分—等效原子序数的相关关系只能对某些灰元素组成相近的煤层作出，这对该方法的应用是一个较大的局限。但对所研究的8个矿区的每一个矿区来说，煤层的铁含量和等效原子序数都有类似图3的关系，从而表明在铁含量相近时，同一矿区中煤灰成分中其它元素含量的变化对等效原子序数变化的影响有限。
4 散射伽玛能谱法灰分测定的可能精度
由前所述，用散射伽玛能谱法作灰分测定时，不能寻求对所有煤层都适用的统一关系以适应不同煤种、煤灰组成的煤层，而只能在灰成分接近的条件下寻求适合一定范围煤层的相关关系。为此研究在这种条件下用此方法可能达到的精度。
由于条件限制，本研究未能进行钻孔实测结果的讨论，因而只能用间接方法来讨论这一重要问题。
对一定的测量条件，探测器所接收的伽玛射线能谱的低能部分仅由地层的等效原子序数单一地确定。因而只要研究对应于相同等效原子序数变化的不同灰分值变化情况 ，就能得出该方法的误差，也就是该方法的极限精度。为此考察影响测量精度最主要的因素——灰成分变化带来的影响，在灰分组成接近时方法的误差，就反映了该方法在此条件下的精度情况。
在选定的汾西矿区的25个煤样中，9个灰分组成接近的煤层用于测定精度的分析。挑选的唯一原则是Fe２O３在灰分中的含量在4%～6%之间。由此选出的9个样品的SiO2含量在44.78%～49.96%间，Al2O3含量在38.48%～41.44%之间。
用此9个煤样的等效原子序数的平均值与灰分值相关作出灰分—等效原子序数关系，再利用此关系，根据每个煤样的特定数值求取其灰分值，与此煤样的灰分值的真值作比较，就得到了求出值的离差。此9个煤样在灰分值6%～20%范围内的离差情况表明，最大离差值小于±3%，这和文献［3］报导灰分值的误差情况一致。图4列出了其中8个煤样的相关情况。上述分析中得出的误差数值与国外实测数据很好的一致性的原因是：在实测中虽然还附加了可燃基、水分变化带来的误差，但由前面的讨论可知，这种误差较小，不足以给整体精度带来太大的影响。实测中的另一个误差来源是钻孔条件的影响。在井液化学组成大体相同、井液中原子序数较高的元素含量较低时，井液的影响是共同的，因而仅改变相关关系的总体，使相关系数减小。当然如果钻孔条件剧烈变化，如较严重的扩孔，将会严重影响测定精度。这是任何测井定量解释方法都不能避免的。 |
|
图4 用9个灰成分接近的煤样的等效原子序数
间接求出的灰分值的误差情况
5 散射伽玛能谱法实际应用的可能和优点
由于电子技术的迅速进步，在钻孔中实现能谱测井已经不困难。尤其对于我们所面临的任务，只要在4个窗口作测量，就可以完成测量任务。为了实现能谱测量，必须进行稳谱。利用直接射入探测器的低活度173Cs源，在能谱上可以得到如图1所示的全能峰。在全能峰上设置两个窗口，就可以稳定系统的增益，然后分别测量高能区和低能区。由于这一测量不需要太高的分辨率，NaI(Tl)探测器就可以满足要求。整个测量系统在低计数率下工作，因而在电子学上比较容易实现。
对测量系统物理布置的实验研究表明，源距一般应大于20 cm，需要准直。为降低放射源的强度，准直角可以适当放大，但准直不好会影响用高能部分(＞200 keV)来分层和作密度测定的特性，低能区的范围应选在20～80 keV间。对煤层测定而言，20～25 cm的源距可以满足一般要求，准直角也应作相应的调整。测井仪在钻孔中的位置以贴壁为好。
散射伽玛能谱方法使用和常规伽玛—伽玛测井相同的、能量较高的伽玛辐射源，因而钻孔条件变化的影响应该相似。与常规方法相比，使用散射伽玛能谱的高能区作地层密度测量，由于低能部分被彻底地惕除，响应值受地层等效原子序数变化的影响将进一步减小。尤其对于煤田测井而言，由于测井仪的直径受到限制，使用常规方法时包裹在探测器外的滤色片的厚度不能达到滤除足够的低能组分所需要的厚度，因而使用散射伽玛能谱的高能部分作地层密度测量会有更好的效果。
和目前国内使用的选择伽玛—伽玛方法相比，由于使用了较高能量的伽玛辐射源，可以预期钻孔条件变化的影响较小。
由于这种测量方法在改善了密度测量的基础上又给原有的常规伽玛—伽玛方法增加了一个测量参数，即增加了一个低能窗口的数值，使其计数率在煤层中可以用来作灰分的估值，而对其它地层则可以用来作岩性识别。
6 结论
由于电子技术取得的注目进展，能谱测井，尤其是作宽窗测量的能谱测井已经不是一个技术上的难题。因而将常规伽玛—伽玛测井提升为散射伽玛—伽玛能谱测井是可行的。而它的实现则可以完成从测量地层密度一个参数到测量密度—等效原子序数两个参数的转化。测量地层的等效原子序数，对煤层来说，可以用于灰分值的估值；而对于其它岩层，则可以用于岩性识别。这种灰分值原位测量方法的精度受煤的变质程度和水分含量变化的影响不大，但对灰成分的变化，尤其是Fe2O3含量变化比较敏感，因而只能期望区域性的响应值—煤灰分值相关关系。尽管如此，它是常规伽玛—伽玛密度测井的一种很好的补充和替代。所增加的测量参数是一个独立于密度的物理量。
*煤炭科学基金资助项目
作者简介：顾文浩 男 59岁 高级工程师 煤田测井
作者单位：顾文浩 煤炭科学研究总院西安分院 710054
参考文献
1 Уткин В И．Селективный гамма-гам ма каротаж на уголвных месторождениях Москва：Наука，1975
2 Eisler P L et al.Quantitative spectrometric borehole logging techniques for coal mining,Nucl.Geophys.1988;2(1)43～54
3 Borsaru M et al.Determination of ash content in coal by borehole logging using gamma-gamma methods.Geoexploration,1985;23:503～518
4 Czubek J A.Physical possibilities of gamma-gamma logging.In:Clayton C G ed.Radioisotope Instruments in Industry and Geophysics,Proc.Symp.IAEA.Warsaw,1965,Vienna:IAEA 1966:249～276 |
